第五章

電介質(zhì)材料功能材料合成與制備01電絕緣陶瓷02電容介質(zhì)陶瓷03壓電陶瓷04熱釋電陶瓷05小結

01電絕緣陶瓷01性能要求o 電阻率>1012Ω·m（室溫）o 擊穿場強>10?kV/cmo 介電常數(shù)<9（減少信號延遲）o 介電損耗tanδ：2×10??~9×10?3（高頻下低損耗）電學性能o 耐風化、耐水、耐化學腐蝕化學穩(wěn)定性o 抗彎強度：45~300MPao 抗壓強度：400~2000MPa力學性能01典型材料點擊此處添加標題材料核心優(yōu)勢典型應用Al?O?陶瓷高性價比/耐腐蝕廣泛用于基板/絕緣子、封裝AlN陶瓷熱導率200W/mK適用于高功率器件Si?N?陶瓷抗彎強度>800MPa高溫結構件

02電容介質(zhì)陶瓷5.2電容介質(zhì)陶瓷-MLCC簡介由交替堆疊的陶瓷介質(zhì)層和內(nèi)電極層共燒而成的片式電容器。定義體積、大容量、高可靠性、適合SMT。優(yōu)勢

MLCC結構5.2電容介質(zhì)陶瓷o 高介電常數(shù)(ε?)：

實現(xiàn)小體積大容量(核心目標！)o 低介電損耗(tanδ)：

尤其在高頻應用o 高介電強度(擊穿場強)：

保證工作電壓和可靠性o 介電常數(shù)溫度穩(wěn)定性(TCC)：

特定應用要求o 薄層化能力：

滿足MLCC小型化需求外形尺寸（L×W）[mm]額定電壓[V]靜電容量[nF]1.0×0.51000.1～0.471.6×0.8100～2500.82～3.32.0×1.25100～4500.1～103.2×1.6100～6306.8～333.2×2.5100～63022～684.5×3.2100～63033～1005.7×5.0100～63068～150

5.2.2電容介質(zhì)陶瓷的性能要求5.2電容介質(zhì)陶瓷o 基礎：BaTiO?是應用最廣的高介電常數(shù)鐵電陶瓷基礎材料。o 關鍵特性：

在居里溫度(T?≈120°C)附近具有極高的介電常數(shù)峰值。o 核心問題：

純BaTiO?的ε?峰窄且溫度穩(wěn)定性差，損耗較大。o 解決途徑：

必須改性！

5.2.3鈦酸鋇(BaTiO?)電容介質(zhì)陶瓷-核心材料BaTiO3的介溫曲線與晶相轉(zhuǎn)變過程5.2電容介質(zhì)陶瓷四大改性策略

1. 晶粒尺寸效應：

控制晶粒在亞微米級(<1μm)可顯著展寬ε?峰、提高溫度穩(wěn)定性、降低損耗。2. 壓低展居里峰：

添加“展寬劑”(如MgO,Bi?O?,Nb?O?,Co?O?等)，使居里峰壓低、展寬、移動，獲得較平坦的ε?-T曲線(X7R,X8R等類型)。3. “芯-殼”結構：

通過特定工藝形成晶粒內(nèi)部(芯)高ε?、晶界區(qū)域(殼)低ε?但高絕緣的結構，兼具高介電常數(shù)和良好溫度穩(wěn)定性。4. 移動居里峰：

添加“移動劑”(如SrTiO?,CaTiO?)，將居里峰移至室溫附近(獲得Y5V等高容但穩(wěn)定性差的類型)或移出工作溫區(qū)(獲得溫度穩(wěn)定但容值較低的NPO類型)。

BaTiO?介質(zhì)陶瓷的改性5.2電容介質(zhì)陶瓷

MLCC電容的制備工藝關鍵工藝流程(簡要步驟)：粉體制備：

改性BaTiO?粉體合成(固相法/液相法)。流延成型：

將陶瓷漿料流延成薄帶(生瓷帶)。內(nèi)電極印刷：

在生瓷帶上印刷金屬電極漿料(Ni,Cu)。疊層與切割：

多層生瓷帶疊壓、層合，切割成單個生坯。排膠(脫脂)：

去除生坯中有機物。共燒：

在還原氣氛下高溫燒結，使陶瓷致密化，內(nèi)電極金屬化。端電極形成：

涂覆端電極漿料(Ag,Cu)，燒滲。測試與分選：

電性能測試，分類。MLCC電容制備流程

03壓電陶瓷5.3壓電陶瓷

壓電陶瓷概述

核心概念：o 壓電效應：

機械應力

?

電極化(正/逆壓電效應)。o 應用基礎：

實現(xiàn)電能?機械能/聲能轉(zhuǎn)換。o 應用領域(舉例)：

傳感器、執(zhí)行器、換能器、蜂鳴器、濾波器、超聲設備、點火器。B超打火機潛艇海底聲吶探測加濕器微量精準吐墨在20種晶體上施加壓力、張力、切向力時，則發(fā)生與應力成比例的介質(zhì)極化，同時在晶體兩端將出現(xiàn)正負電荷。5.3壓電陶瓷

壓電陶瓷性能參數(shù)

四大關鍵參數(shù)：1. 壓電常數(shù)(d,g,e,h)：

反映機電轉(zhuǎn)換能力(如d??：縱向壓電應變常數(shù))。2. 機電耦合系數(shù)(k)：

衡量機電能量轉(zhuǎn)換效率(k?,k?,k??等)。3. 機械品質(zhì)因數(shù)(Q?)：

衡量振動時機械損耗大小(Q?高，發(fā)熱小，諧振峰尖銳)。4. 頻率常數(shù)(N)：

諧振頻率(f?)與特征尺寸(L)的乘積(N=f?*L)，材料常數(shù)，決定器件尺寸。5.3壓電陶瓷

壓電陶瓷性能參數(shù)

四大關鍵參數(shù)：1. 壓電常數(shù)：

表示的是壓電材料把機械能轉(zhuǎn)換為電能或電能轉(zhuǎn)換為機械能的一個比例常數(shù)。假設Tj是沿j方向施加的機械應力，Pi是沿i方向的誘導極化強度，這兩個量之間有線性關系，見下式：

Pi=dijTj

式中，dij稱為壓電常數(shù)逆壓電效應將沿j方向的誘導應變Sj和沿i方向施加電場Ei聯(lián)系起來，如下式所示：Sj=dijEi

這兩個式中的系數(shù)是相同的。5.3壓電陶瓷

壓電陶瓷性能參數(shù)

四大關鍵參數(shù)：2. 機電耦合系數(shù)(k)：

衡量機電能量轉(zhuǎn)換效率(k?,k?,k??等)。工程技術上對機電耦合系數(shù)的定義是數(shù)學上對機電耦合系數(shù)的定義是或式中UI是相互作用能密度，UM是彈性能密度，UE是介電能密度5.3壓電陶瓷

壓電陶瓷性能參數(shù)

四大關鍵參數(shù)：3. 機械品質(zhì)因數(shù)(Q?)：

衡量振動時機械損耗大小(Q?高，發(fā)熱小，諧振峰尖銳)。

其中，fr為壓電振子的諧振頻率；fa為壓電振子的反諧振頻率；R為諧振頻率時的最小阻抗（諧振電阻）；C0為壓電振子的靜電容；C1為壓電振子的諧振電容。5.3壓電陶瓷

壓電陶瓷性能參數(shù)

四大關鍵參數(shù)：4. 頻率常數(shù)(N)：

諧振頻率(f?)與特征尺寸(L)的乘積(N=f?*L)，材料常數(shù)，決定器件尺寸。N=fr×l其中，fr為壓電振子的諧振頻率；l為壓電振子振動方向的長度。5.3壓電陶瓷

典型壓電陶瓷材料-PZT

核心內(nèi)容：o 基礎：

鋯鈦酸鉛Pb(Zr?Ti???)O?，是應用最廣泛的壓電陶瓷體系。o 相圖與MPB：

在準同型相界(MPB,x≈0.52-0.55)附近，壓電和介電性能達到極值。o 特點：

高壓電性、高居里溫度、性能可調(diào)范圍大。PZT相圖5.3壓電陶瓷

PZT陶瓷的摻雜改性? 改性類型：o 等價摻雜：

取代A位(Pb2?)或B位(Zr??/Ti??)同價離子(如Sr2?,Ca2?,Ba2?代Pb；Sn??代Zr/Ti)。主要影響居里溫度、相界位置。o 不等價摻雜(關鍵！)：

軟性摻雜：

添加高價離子(如La3?代Pb2?；Nb??,Sb??代Zr??/Ti??)。引入鉛空位，提高壓電活性(d,k)、降低矯頑場(E?)、降低Q?、提高介電常數(shù)ε、增加tanδ。易極化。

硬性摻雜：

添加低價離子(如K?,Na?代Pb2?；Fe3?,Al3?,Mn3?代Zr??/Ti??)。引入氧空位，降低壓電活性(d,k)、提高矯頑場(E?)、提高Q?、降低tanδ、提高時間/溫度穩(wěn)定性。難極化。5.3壓電陶瓷PZT陶瓷制備工藝&發(fā)展趨勢o

制備工藝：

傳統(tǒng)固相法(粉體合成→球磨→造粒→成型→排膠→燒結→被電極→極化)。合成主晶相埋覆燒結、原料添加過量鉛PbO750℃時已開始揮發(fā),950℃時達到相當大的數(shù)值PbO的揮發(fā)5.3壓電陶瓷壓電陶瓷制備工藝&發(fā)展趨勢o

發(fā)展趨勢及研究進展：§

鉛基壓電陶瓷：仍占據(jù)主導作用---PZT-4、PZT-8、PCM、SPM§

無鉛壓電陶瓷：

替代PZT(KNN,BNT-BKT,BT基等)，解決鉛毒性問題，性能有待提升§

鉛基高壓電陶瓷材料--稀土元素Sm摻雜的Pb(Mg,Nb)O3-PbiTiO3壓電陶瓷，1500pC/N，鉛基壓電陶瓷仍有強勁的優(yōu)勢

5.4熱釋電陶瓷5.4

熱釋電陶瓷熱誘導的電偶極子在平衡軸附近的隨機擺動，在某一確定的溫度下，電偶極子自發(fā)極化形成的總的平均強度是不變的，因此，熱釋電沒有輸出。熱釋電材料的溫度升高，電偶極子劇烈的擺動，擺角增加，總平均自發(fā)極化降低，感生電荷量也減少，釋放自由電荷，放電。熱釋電材料被冷卻，電偶極子更小的角度范圍內(nèi)擺動，自發(fā)極化將增強，感生電荷量也增加，充電具有自發(fā)極化的晶體的自發(fā)極化強度隨溫度改變的現(xiàn)象，這一現(xiàn)象稱為熱釋電效應熱釋電效應5.4

熱釋電陶瓷性能參數(shù)o

熱釋電系數(shù)(p)：

p=dP?/dT(單位：μC/m2K)，最重要參數(shù)，反映單位溫度變化產(chǎn)生的電荷變化量。越大越好。o

電流響應優(yōu)值(Fi)：

Fi=p/C?(C?:體積比熱容)。衡量電流響應的優(yōu)值。越大越好。o

電壓響應優(yōu)值(Fv)：

Fv=p/(C?ε?ε?)(ε?:相對介電常數(shù))。衡量電壓響應的優(yōu)值。越大越好。o

探測度優(yōu)值(Fd)：

Fd=p/[C?(ε?ε?tanδ)1?2]。綜合衡量探測能力的優(yōu)值，考慮了介電損耗(tanδ)。越大越好。5.4

熱釋電陶瓷典型熱釋電陶瓷材料*PbTiO?系鈣鈦礦型：

改性PbTiO?(PT)：

純PT熱釋電系數(shù)p高，但介電常數(shù)ε?低、tanδ大、難以燒結致密。常用摻雜改性(如La3?,Mn3?,Sm3?等)改善性能。代表：PLT,PMT等。

PZT系熱釋電陶瓷：

靠近四方相富Ti側的組成(如PZTs95/5)，具有較好的綜合性能。*無鉛系熱釋電陶瓷：

解決鉛毒性問題。

改性BaTiO?(BT)：

摻雜提高居里溫度、優(yōu)化熱釋電性能。

鈮酸鹽基：

如鈮酸鍶鋇(SBN)。

鈦酸鉍鈉基(NBT-BT等)：

具有較高的熱釋電系數(shù)。

層狀鈣鈦礦結構：

如鉍層狀結構陶瓷(BLSF,如SBTi)。

5.5鐵電陶瓷5.3鐵電陶瓷

鐵電陶瓷概述具有壓電性的晶體不一定就具有熱釋電性，但具有鐵電性的晶體一定具有熱釋電性。一般電介質(zhì)壓電體熱釋電體鐵電體鐵電體基本定義具有自發(fā)極化強度PsSpontaneousPolarization自發(fā)極化強度能在外加電場下翻轉(zhuǎn)，或者重新取向SwitchablePs,orreorientedPs鐵電體的電滯回線5.3鐵電陶瓷

鐵電陶瓷的性能參數(shù)(儲能應用)*充電儲能密度(W??)：

充電至最大電場(E???)時單位體積儲存的能量。W??=∫?????EdD(D:電位移)。*放電儲能密度(W??)：

實際可釋放出的能量密度。W??=∫??

????EdD(Dr:剩余電位移)。關鍵指標！*放電儲能效率(η)：

η=(W??/W??)×100%。反映充放電過程的損耗(注：理想材料要求高W??和高η，即要求高飽和極化P?、低剩余極化P?、高擊穿場強E??、低損耗)5.3鐵電陶瓷

典型鐵電陶瓷材料*.鈦酸鋇(BaTiO3,BT)：

經(jīng)典鐵電體，